1. 引言
高木和杉野在20世纪80年代提出了T-S模糊模型(FM) [1] [2]。最初,T-S FM模型只用于非线性函数的逼近方法,所以它不是一个动态系统。后来,Cao等人将原来的T-S调频模型拓宽为实际应用的动态模型,并将其用于近似非线性动态系统。此后,基于T-S 模糊模型的稳定性研究和控制器方案得到了广泛的关注和发展。T-S模糊模型是一个由平滑连接的线性子模型与非线性模糊权重组成的整体模型。在凸集下,T-S FM能够以任何精度接近一些平滑的非线性函数。
传统的T-S调频通常假定模糊权重不包含不确定信息,并采用平行分布补偿器(PDC)策略来设计反馈控制器 [3] [4] [5]。最后,利用Lyaounov稳定性理论得出控制器的存在条件。尽管PDC策略可以处理具有不确定成员函数(MFs)的T-S调频,但它不能有效地利用隐藏在MFs中的不确定信息。在实际的工业应用中,非线性系统往往伴随着不确定性,例如,不确定的参数,包含不可测量的变量,或者未知的干扰。因此,当采用传统的T-S调频来逼近具有不确定参数的非线性结构时,其模糊权重可能包含不确定参数,不能直接采用PDC策略来安排模糊反馈控制器 [6]。Type-1 T-S FM能够在凸集中接近任何平滑的非线性函数,并具有良好的局部线性化特性,成为非线性系统稳定性分析和控制器设计的有力工具 [7] [8]。然而,Type-1 T-S FM不能高度处理不确定系统。2型模糊集可以提高处理不确定性的能力,将2型模糊逻辑扩展到T-S模型框架中,具有重要的理论意义和应用价值。作为普通2型模糊集的特殊版本,IT2模糊集计算简便,且保留了2型模糊集处理不确定性的良好特性,因此在实际应用中更有价值。与第一类T-S模糊系统不同,IT2 T-S调频已被证明更适用于具有不确定参数的非线性系统。
显然,由于受到DOS攻击的影响,测量的输出可能会遇到突然的巨大扰动,这反过来又可能导致所谓的测量异常值和估计属性的进一步恶化 [9] [10]。例如,没有经过充分处理的测量异常值很可能导致估算器中的创新值发生巨大变化,从而损害估算的真实性。因此,构建一个无视测量异常值的估算器是非常必要的。这种估计器被称为抗异常值估计器。近年来,抗异常值状态估计问题开始得到初步的研究热点,并从文字上得到了一些好的结果。
2. 问题描述
2.1. 区间二型T-S模糊模型
考虑如下具有分布时滞和扰动的区间二型T-S模糊时变系统
系统规则i:如果
是
,且
是
,且
,且
是
,则
(1.1)
、
、
、
分别表示系统的状态、测量输出、估计输出、控制输入;
是已知标量,
是初始值,
是正标量,
和
是适合维数的实矩阵。
是区间二型的第i个模糊集合,
是前件变量,
,
是正标量;
是一个标量信号且满足如下的统计特征:
其中,
是常数。
这个随机变量
是满足伯努利分布的:
其中,
是一个已知标量,实矩阵
代表着参数不确定性且满足:
(1.2)
M和N是适合维数的常数矩阵,
是未知矩阵且满足:
根据区间二型模糊建模准则,上下隶属度函数定义为
其中,
。
接下来,引入状态相关的加权参数
和
。
并且满足
,然后归一化的隶属度函数
具有如下的形式:
其中
和
。
综上所述,区间二型T-S模糊模型可以表示如下形式:
(1.3)
2.2. 网络攻击模型
本节将测量信号通过共享网络发送观测器,其中信息传输可能被随机发生的DOS攻击恶意篡改,表示如下
(1.4)
其中,
表示当观测器受到攻击时的接收信号,
是一个伯努利随机变量,利用下面的概率分布来调整随机发生的DOS攻击:
(1.5)
这里,
且是一个已知常数。
2.3. 基于观测器的安全控制(OBSC)
为了减轻估计性质被随机发生的DOS攻击破坏,股灾观测器中加入一个饱和函数,具体来说,抗异常值观测器的描述如下:
(1.6)
其中,这个饱和函数
被定义为:
(1.7)
,饱和函数
满足一个扇形有界条件:
(1.8)
其中,
是一个标量,同时
也是一个标量且满足
。
区间二型T-S模糊控制器的结构为:
控制器规则j:如果
是
,和
是
,且
,
是
,则有
(1.9)
其中,控制器规则j是第j条模糊规则,
,
是前件变量,
是控制器增益。
根据区间二型模糊建模准则,上下隶属度函数定义为
其中,
。
接下来,引入状态相关的加权参数
和
,并且满足
。然后归一化的隶属度函数
具有如下的形式:
其中,
和
。
综上所述,区间二型T-S控制器可以表示为如下形式:
(1.10)
标记,
,
,这个估计误差可以得到:
(1.11)
对
,则有
(1.12)
其中,
定义1:如果存在常数
,
和
以及系统动力学方程(1.12)式
满足:
和
则有上述系统(1.12)是均方意义上指数最终有界的。
定义2:如果系统是均方意义上指数最终有界的并且满足:
则有上述系统(1.12)式是理想安全水平g的。
引理1:这个饱和函数在(1.8)
如果满足
其中,
证明:从(1.8)式不难看出
通过
,我们可以得到
引理2:让
都是适合维数的实矩阵,且
满足
,则
当且仅当存在一个正标量
,以至于
或者
引理3:存在
是正半定矩阵,
,如果存在序列是收敛的,则
3. 主要结果
定理1:
是观测器增益,
是控制器增益,如果存在正定矩阵
和正标量
满足;
(1.13)
和
(1.14)
其中,
和对常数
,满足
有
。
则有上述系统(1.12)是g安全水平。
证明:首先构造李雅普诺夫函数
(1.15)
其中,
之后可得
此外,在引理3的基础上,我们可以得到如下:
从
的统计特征,可得,
其中,
然后,在引理1的基础上,可以得到
其中,
我们从(1.13)式可得
接下来,我们可以估计
的上界,从
的概念中实现
此外,对于任何
,则有
其中,
对于任何
,两边求和从0到r-1项可得
而其中,
从而有
其中,
标记
和
,可得存在一个标量
,使得
,从而有
从定义项
可知
从而有
其中,
根据定义1,最终上界为
根据(1.14)从而有
4. 数值仿真
本文借助于一个数值仿真的例子来验证所提的方法有效性,考虑到具有两条规则的区间二型模糊模型。
系统规则i:如果
是
,则
其中,
隶属函数为:
其中一个为:
另一个为:
根据以上的数据画出相应的效果图:
Figure 2. Evolution of the system
without control
图2. 开环控制下系统状态
Figure 3. Evolution of the system
with control
图3. 闭环控制下系统状态
图1是系统结构图,有一个未知的非线性装置、一个传感器、一个观测器、一个控制器和一个执行器组成,本文就是图1的基础上进行研究的。图2是开环状态下系统的状态图,随着时间的增加,系统的状态
趋于无穷大,是属于发散的且不稳定。图3是闭环控制下的系统状态,随着时间的增加,系统的误差逐渐趋于零,这说明估计的性能比较良好。故在闭环控制下系统的性能比较稳定,开环下是发散的,不稳定。
5. 总结
本文研究了DOS攻击下具有分布时滞的IT2 T-S模糊离散时间系统的抗离群观测器控制问题。在李雅普诺夫稳定性理论的支持下,导出了保证均方意义上估计误差有界性和安全级别的充分条件。利用正交分解和线性矩阵不等式技术,将控制问题简化为线性凸优化问题。数值仿真结果表明了所提控制方法的有效性和可靠性。需要指出的是,本文的主要成果可以推广到未来的其他研究课题,如更复杂的网络诱导现象或饱和约束的发生。